Глава 6

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ЦЕРЕБРАЛЬНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЯХ

Функциональное состояние (ФС) организма человека характеризуется множеством параметров. В настоящее время отсутствует единая шкала ФС, так как ФС есть понятие многомерное. Выделяют несколько базовых шкал, по которым анализируют ФС человека. Это - эмоциональные, активационные, тонические и тензионные шкалы. В физиологии чаще всего используют активационные и тонические шкалы, которые по ряду признаков частично перекрываются. Предложен так называемый континуум активации, который включает в себя следующие состояния: сильное эмоциональное возбуждение, состояние бдительности, расслабленное бодрствование, сонливость, легкий и глубокий сон (Я. Рейковский, 2000). Этим состояниям присущи конкретные ЭЭГ-характеристики, и определенные особенности психической деятельности. ФС зависят от активации ряда подкорковых образований мозга и прежде всего стволовой ретикулярной формации. Понятно, что подобная активация меняет и церебральный энергетический обмен поэтому мозговой энергетический метаболизм являются важной характеристикой ФС.

6.1. Изменение параметров церебрального энергетического обмена при переходе от бодрствования ко сну

При переходе от бодрствования ко сну параллельно с нарастанием медленноволновой активности на ЭЭГ происходит снижение церебрального энергетического обмена. Локальный мозговой кровоток и потребление кислорода мозгом уменьшаются во время сна на 10,2 и 7,6% от их уровня в период бодрствования (K. Takahashi, 1989; G. Hajak et al., 1994). Значительное снижение локального мозгового кровотока, по данным ПЭТ с H₂¹⁵O, выявлено во время медленно

94

волнового сна в мозговом стволе, таламусе, базальных ганглиях, а также в гетеромодальных ассоциативных областях (префронтальной и нижнетеменной), при этом в первичных проекционных областях снижения кровотока не наблюдается (A. Braun, 1997). Во время 3-й и 4-й стадий медленноволнового сна, по данным ПЭТ, уровень потребления глюкозы снижается в полушариях на 31%, в таламусе и в мозжечке на 33%, в мозговом стволе на 25% (G. Franck et al., 1987). Сон с быстрыми движениями глаз, по данным потребления глюкозы, характеризуется активацией моста, таламуса, латеральных гипоталамических областей, амигдалы, передней цингулярной коры и островка при снижении активности в префронтальной области (P. Maquet, 1995; J. Hobson, 1998).

Динамика УПП отражает изменения ФС. При отведении УПП непосредственно от мозга у животных во время засыпания наблюдается позитивный сдвиг УПП, очевидно, обусловленный гиперполяризацией нейронов коры (H. Caspers, 1961). У человека при переходе от бодрствования к медленноволновому сну, напротив, выявлено негативное смещение УПП, что указывает на иной, чем при регистрации от мозга у животных, генез изменений потенциалов. В случае расположения активного электрода на вертексе, а референтного на мочке уха сдвиг УПП в негативную сторону составлял 0,5 – 0,75 мВ (L. Marshall et al., 1994). По-видимому, негативный сдвиг УПП при регистрации от поверхности головы объясняется не деполяризацией нейронов коры (во время медленноволнового сна в коре преобладают тормозные процессы), а снижением энергетического обмена и соответственно изменением КЩР оттекающей от мозга крови в щелочную сторону. Выявлено, что ночью у испытуемых лишенных сна УПП достоверно меньше снижался, чем в контрольной группе спящих (R. Hoffmann et al., 1996). По данным Н.А. Аладжаловой (1979), сон и некоторые виды наркоза, в частности нембуталовый, также сопровождаются негативными сдвигами УПП. Разность значений постоянных потенциалов зарегистрированная во время сна и в периоде бодрствования у человека может достигать нескольких милливольт. Такая большая разница в амплитуде сдвигов в разных исследованиях связана с особенностями регистрации, а именно с расположением референтного электрода. Так, при расположении электрода на ухе или других участках головы сдвиг УПП меньше, чем если референтный электрод располагается на конечностях. Причина этого кроется в особенностях церебрального и экстрацеребрального кровоснабжения головы и подробно рассмотрена в главах 3 и 4, и в разделе 6.4. «Влияние гипервентиляции на показатели энергетического обмена мозга» настоящей главы.

95

Итак, при переходе от бодрствования ко сну мозговой кровоток и энергетический метаболизм снижается в ассоциативных областях коры мозга человека, что отражается в негативном сдвиге УПП на, регистрируемом на поверхности головы. При регистрации от поверхности мозга процесс засыпание сопровождается позитивным смещением УПП, отражающим гиперполяризацию нейронов и глии в коре.

6.2. Изменение церебрального энергетического обмена и УПП при сенсорной стимуляции

Хорошо известно, что сенсорная стимуляция повышает интенсивность энергетического обмена в нервных центрах, принимающих участие в передаче и обработке информации (P. Gregory et al., 1977). При фотостимуляции происходит двухволновое усиление кровотока в зрительной области коры, причем первая волна возникает через 5 - 7 с от начала стимуляции вследствие увеличения концентрации внеклеточного калия, вторая волна развивается через 10 - 15 с под влиянием снижения рН нервной ткани (D. Heuser et al., 1977). Закисление во время второй волны наступает в результате усиления энергетического обмена и накопления углекислоты, а также лактата. Повышение концентрации водородных ионов способствует длительному усилению кровотока. На первом этапе, несмотря на повышение энергетического метаболизма, рН может сдвигаться в щелочную сторону, что связано с активным вымыванием углекислоты в результате усиления кровотока (А.Р. Шахнович, 1980). Поэтому динамика рН в мозге при сенсорной стимуляции определяется двумя составляющими: изменениями энергетического обмена и факторами, регулирующими постоянство КЩР.

Сенсорная стимуляция сопровождается небольшими сдвигами УПП. У человека во время 5-минутной фотостимуляции при регистрации от поверхности головы в некоторых случаях выявляется позитивный сдвиг УПП милливольтного диапазона. Звуковая стимуляция в течение 20 мин интенсивностью 90 дБ вызывала разнонаправленные изменения УПП величиной несколько милливольт. Динамика УПП могла быть различной полярности, и при статистическом анализе достоверных сдвигов УПП выявлено не было (В.Ф. Фокин с соавт., 1989). Разнонаправленный характер изменений УПП, по-видимому, отражает результирующую двух процессов: усиления энергетического метаболизма, закисляющего мозг, и мозгового кровотока, вымывающегоислые продукты обмена. В зависимости от преобладания того или иного процесса происходит либо позитивный, либо негативный сдвиг УПП.

96

Направленность сдвигов УПП имеет определенную закономерность, а именно: смещение УПП определяется в значительной мере его исходным уровнем. По нашим данным, изменения УПП при звуковой стимуляции, зарегистрированные от поверхности головы у здоровых испытуемых, связаны отрицательной корреляцией с исходными значениями потенциала. Рассмотрим предполагаемый механизм такой зависимости. Высокий уровень церебрального энергообмена и снижение рН имеют место при высокой активности нервных клеток, приводящей к накоплению внеклеточного калия. При исходно высоких значениях УПП, т.е. при высокой закисленности мозговой ткани и, по-видимому, при повышенной концентрации внеклеточного калия небольшое усиление энергообмена при нагрузке, сопровождающееся дополнительным образованием протонов и ионов калия во внеклеточной среде, вызывает усиление мозгового кровотока, который вымывает углекислоту. Это приводит к снижению УПП и нормализации КЩР. И наоборот, при низких исходных значениях УПП, т.е. относительно невысоких концентрациях протонов и внеклеточного калия увеличение мозгового кровотока при нагрузке оказывается недостаточным для вымывания избытка СО₂. Поэтому в тканях накапливаются ионы водорода, приводящие к закислению мозговой ткани и снижению рН. Поскольку такая регуляция уровня церебрального рН проявляется при разных воздействиях, возможно, она носит универсальный характер, так что, в принципе, регуляция КЩР не зависит от вида воздействия, а определяется только усилением (ослаблением) энергетического обмена и исходным уровнем КЩР.

Характер изменений УПП при сенсорной стимуляции в условиях отведения непосредственно от мозга отличается от динамики УПП при отведении от поверхности головы. Эти сдвиги, как правило, не превышают 1 - 2 мВ, и наиболее вероятным источником их возникновения являются мембранные потенциалы нервных и глиальных клеток. Максимальные изменения как УПП, так и биохимических показателей, развиваются в проекционной зоне соответствующего анализатора.

При зрительной и акустической стимуляции у кроликов в теменной коре зарегистрирован негативный сдвиг УПП до I мВ, связанный с деполяризацией нейронов (K. Watanabe, 1977) Параллельно такому сдвигу увеличивается концентрация внеклеточного калия, что играет триггерную роль в усилении мозгового кровотока. Найдена также корреляция изменений УПП с увеличением степени окисленности дыхательных митохондриальных ферментов - NADH и цитохромов а₁ и а₃ (G. Somjen M. Rosenthal, 1979). Сдвиг потенциала при акустической стимуляции ограничен

97

слуховой корой и генерируется нейронами верхней трети коры (R. Gumnit, 1961; K. Watanabe, 1977)

Электрокожное раздражение вызывало в головном мозге крыс длительную позитивную волну амплитудой 3 - 4 мВ. Позитивному смещению предшествовало сравнительно небольшое негативное отклонение УПП. Наиболее выраженные изменения отмечались во фронтальной и теменной коре (J. Skinner et al., 1978).

Электрическое раздражение таламуса приводило к негативному сдвигу УПП (S. Goldring, J.-L. O'Leary, 1957; J. Brookhart et al., 1958). Показана зависимость динамики УПП от силы раздражителя: слабое раздражение наружного коленчатого тела сопровождалось негативным, а сильное - позитивным смещением УПП (S. Goldring, J.-L. O'Leary, I95I). При электрическом раздражении неспецифических ядер таламуса наибольшие сдвиги УПП наблюдались в передних областях коры, а при стимуляции специфических ядер - в соответствующих проекционных зонах (В.С. Русинов, 1969). При ритмическом электрическом раздражении коры больших полушарий собак регистрировались постепенно нарастающий негативный сдвиг потенциала коры и серия медленных волн и разрядов последействия. Амплитуда негативного сдвига достигала 1,5 - 2 мВ (Л.И. Чилингарян, Т.Б. Швец, 1970).

Сдвиги УПП при афферентной стимуляции связаны отрицательной корреляцией с исходным уровнем потенциала. Эта закономерность имеет сходный характер при отведении УПП как от поверхности головы, так и от мозга. J. Brookhart et al. (1958) обнаружили, что при электрическом раздражении специфических и неспецифических ядер таламуса в коре возникает медленная негативная волна, которая меняет свой знак при поверхностно негативной поляризации и усиливается при поверхностно позитивной. Инверсия сдвига УПП наблюдается и в том случае, если вместо поляризации применить стрихнизацию коры, вызывающую негативное смещение коркового постоянного потенциала.

Итак, при сенсорной стимуляции активация проекционных зон коры сопровождается деполяризационным сдвигом мембранных потенциалов нейронов и небольшим негативным смещением постоянных потенциалов, отводимых от поверхности коры. При этом в мозге наблюдается небольшое усиление энергетического обмена и локального кровотока. Изменения КЩР и соответственно УПП, отводимого от поверхности головы, в целом невелики и определяются результирующей двух процессов: накопления СО₂ и лактата при интенсификации энергетического метаболизма и вымывания СО₂ в результате усиления кровотока. В тех случаях, когда избыток СО₂ и лактата накапливается в мозге, происходит сдвиг рН в сторону закисления; когда эти продукты обмена вымываются

98

усиленным мозговым кровотоком рН сдвигается в щелочную сторону. Сдвиги УПП при сенсорной стимуляции причинно связаны с его исходным уровнем. Наблюдается стремление системы, регулирующей УПП коры, достичь определенного значения, при котором действие возмущающих факторов было бы минимально. Это позволяет предполагать, что небольшое возмущающее воздействие может активировать систему регуляции церебрального КЩР по механизмам отрицательной обратной связи, что приводит к его нормализации.